基于磁耦合的電動汽車無線充電效率優(yōu)化

摘 要：隨著無線充電技術(shù)的發(fā)展，電動汽車無線充電成為關(guān)注熱點(diǎn)，磁耦合諧振式無限電能傳輸技術(shù)在電動汽車充電領(lǐng)域優(yōu)勢明顯。本文基于磁耦合諧振式無線電能傳輸原理，對基本拓?fù)潆娐愤M(jìn)行優(yōu)化。本文首先對四種基本補(bǔ)償電路進(jìn)行分析，得出SS補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)更加適用于電動汽車的無線充電。其次對線圈耦合系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過調(diào)整線圈尺寸，即接收線圈的面積大于發(fā)射線圈面積，并且采用舉行線圈以及糾正相對位置實(shí)現(xiàn)以提高充電效率；在電路參數(shù)方面，通過對公式的分析，選定參數(shù)變量，在合理數(shù)值范圍內(nèi)進(jìn)行仿真，得到電阻與充電效率呈正相關(guān)的關(guān)系，并且得出了耦合系數(shù)和充電效率之間的關(guān)系曲線，通過曲線可以得出耦合系數(shù)在0.1-0.3充電效率最高。

關(guān)鍵詞：無線充電 磁耦合諧振 電動汽車 SS拓?fù)?/p>

1 緒論

隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的重視，電動汽車作為一種清潔、高效的交通工具受到了廣泛關(guān)注。電動汽車的使用減少了對化石燃料的依賴，降低了溫室氣體排放，有助于實(shí)現(xiàn)低碳社會的目標(biāo)。然而，電動汽車的普及也帶來了新的挑戰(zhàn)，特別是關(guān)于充電設(shè)施的部署和充電時(shí)間的問題。傳統(tǒng)的有線充電方式需要占用空間，且在充電過程中存在線纜損壞和電擊風(fēng)險(xiǎn)。因此，如何高效，便捷地為電動汽車充電成為研究的重難點(diǎn)。

無線充電技術(shù)主要基于電磁感應(yīng)或磁共振原理，能夠在無需物理連接的情況下為電動汽車提供電力。這種技術(shù)具有減少電纜損壞風(fēng)險(xiǎn)、提高充電便利性等優(yōu)點(diǎn)，但也存在效率較低、成本較高等挑戰(zhàn)。盡管如此，無線充電技術(shù)的研究和開發(fā)仍在不斷進(jìn)展，目的是提高其功率傳輸效率、降低系統(tǒng)成本，并確保與現(xiàn)有電動汽車技術(shù)的兼容性。

磁耦合諧振式無線充電技術(shù)是一種既高效又可靠的無線充電方式。本文基于電路理論的知識，對線圈耦合系數(shù)，相關(guān)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)的規(guī)律進(jìn)行總結(jié)并構(gòu)建高效率的耦合模型，最后進(jìn)行仿真得出結(jié)論。

2 電動汽車磁耦合無線充電技術(shù)的工作原理

2.1 無線充電概念

無線充電技術(shù)，也叫作無線電能傳輸技術(shù)，是不以金屬導(dǎo)線或其他物理介質(zhì)為導(dǎo)體，而是基于空氣載體，對電能進(jìn)行一系列變換最終實(shí)現(xiàn)能量傳輸?shù)募夹g(shù)。無線電能傳輸技術(shù)可分為磁場耦合式、電場耦合式、超聲式、微波式和激光式等，其中磁場耦合式還可以分為磁感應(yīng)式和磁共振式，這些不同的傳輸方式可實(shí)現(xiàn)不同距離和功率等需求的能量傳輸。無線充電技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品、電動汽車、智能家居、工業(yè)等領(lǐng)域。不同無線充電方式的應(yīng)用場合和特點(diǎn)如表1所示。

2.2 電動汽車磁耦合無線充電的基本原理

電動汽車無線充電系統(tǒng)因其需滿足穩(wěn)定性和大功率傳輸?shù)纫螅２捎弥C振式無線充電技術(shù)。磁耦合諧振式無線充電技術(shù)基于磁共振原理，將發(fā)射線圈安裝在地面或者地下，接收線圈安裝在汽車底盤。高頻電能通過變頻裝置后傳輸?shù)桨l(fā)送線圈，通過接收線圈與發(fā)送線圈的電磁耦合。接收線圈收到電能，并且將電能輸送經(jīng)整流穩(wěn)壓裝置后給電池充電，最終實(shí)現(xiàn)磁耦合諧振式無線充電。電動汽車磁耦合無線充電示意圖如圖1所示。

2.3 磁耦合無線充電效率分析

WPT補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在無線充電技術(shù)中起到關(guān)鍵作用，它在電路中能夠起到減少能量損失和效率下降的問題。基礎(chǔ)的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)類型共有四種，分別是SS耦合，SP耦合，PS耦合，PP耦合。圖2這四種補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電路圖。

其中V1是輸入高頻交流電源，C1為原邊補(bǔ)償電容，C2為副邊補(bǔ)償電容，L1為發(fā)射線圈，L2為接收線圈，M為兩線圈之間的互感系數(shù)，R1，R2分別是原邊線圈和副邊線圈的內(nèi)阻，RL為負(fù)載。

補(bǔ)償電容的作用是將線圈諧振頻率調(diào)整到電動汽車無線充電合適的頻率。且當(dāng)補(bǔ)償電容的阻抗呈純阻性時(shí)，系統(tǒng)能夠得到最大電流和傳輸效率[1]。根據(jù)上述電路圖，可以推導(dǎo)得出四個(gè)電路的補(bǔ)償電容值如表2所示。

從表2可以看出，SS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的原副邊補(bǔ)償電容與諧振頻率以及原副邊線圈感值有關(guān)。SP，PS，PP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的補(bǔ)償電容不僅與線圈感值有關(guān)，而且和互感M，負(fù)載RL有關(guān)。因此對于汽車無線充電，充電的位置具有不確定性，因此為了最大程度減小其對補(bǔ)償電容的影響，SS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最適合用于電動汽車無線充電。

根據(jù)以上電路圖可以列出如下KVL方程。

根據(jù)上式可以推導(dǎo)出一次側(cè)阻抗Z1，二次側(cè)阻抗Z2，以及二次側(cè)阻抗歸算到一次側(cè)時(shí)的等效阻抗Zr分別如下所示：

一次側(cè)電流i1如下所示：

SS補(bǔ)償電路在無線充電時(shí)的效率表達(dá)式為：

其中k為耦合系數(shù)，。

通常，電動汽車蓄電池的電阻在幾到幾十歐姆之間[2]。結(jié)合效率公式，我們可以得到無線充電的效率與耦合系數(shù)，線圈感值，諧振角頻率，一次側(cè)電阻和電池負(fù)載均有關(guān)系。在確定的無線充電系統(tǒng)下，線圈自感及線圈內(nèi)阻都是定值，所以諧振角頻率也是固定值[3]。

3 磁耦合無線充電技術(shù)的改進(jìn)方法和電路設(shè)計(jì)

3.1 耦合系數(shù)改善

通過上述分析，可以由公式知，電感充電效率與耦合系數(shù)相關(guān)。電感的耦合系數(shù)與線圈形狀，排列，大小有著密切聯(lián)系。在線圈的優(yōu)化方面，可以適當(dāng)調(diào)整線圈的尺寸使得接收線圈尺寸小于發(fā)射線圈尺寸；同時(shí)增加線圈匝數(shù)以提高線圈之間耦合性；還可以通過選取矩形線圈來調(diào)整線圈的耦合系數(shù)，使得其充電效率得到提升[4]。此外，可以提高磁芯材料的磁導(dǎo)率，分析磁場分布，通過計(jì)算磁場強(qiáng)度來選擇最適合的磁芯材料。在此基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)有效的磁屏蔽材料和結(jié)構(gòu)，減少漏磁，進(jìn)一步改善耦合系數(shù)[5]。

3.2 優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)

基于SS補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，要進(jìn)一步提高充電效率，對電路的參數(shù)進(jìn)行一系列變化，以此來觀察電容的充電速度并且比較得出結(jié)論。在本次實(shí)驗(yàn)將SS諧振網(wǎng)絡(luò)中各元件參數(shù)設(shè)置如下，電源采用220V，85kHz，電感147mH，電容24μF，一次側(cè)二次側(cè)內(nèi)阻均為5Ω。具體參數(shù)設(shè)置如表3所示[6]。

根據(jù)下列公式可知，電路負(fù)載阻值和耦合系數(shù)的變化影響著充電效率。

因此只需對其耦合系數(shù)和負(fù)載阻值的變化進(jìn)行仿真并得出結(jié)論。

4 仿真結(jié)果和數(shù)據(jù)

4.1 耦合系數(shù)對充電效率的影響

負(fù)載電阻為30Ω保持不變，下面對耦合系數(shù)從0.1到1進(jìn)行線性變化。通過仿真記錄在這些耦合系數(shù)下充電效率的變化。表4是仿真數(shù)據(jù)記錄表。其中P1，P2分別表示輸入輸出端功率。圖3為輸出功率隨耦合系數(shù)的變化圖。

由此可見，在耦合系數(shù)增大時(shí)，對效率的影響不大，但是隨著耦合系數(shù)的增大，輸出功率先增大后減小，在耦合系數(shù)為0.2左右時(shí)，輸出功率達(dá)到峰值。

4.2 負(fù)載對充電效率的影響

現(xiàn)設(shè)定負(fù)載的值分別為10Ω，15Ω，20Ω，25Ω，30Ω。耦合系數(shù)為0.2保持不變。表5是不同負(fù)載對應(yīng)其充電效率的表格。

圖4是Multisim仿真界面。由仿真數(shù)據(jù)可知，隨著負(fù)載阻值的增大，充電效率在不斷升高，并且趨于平穩(wěn)。通過上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，耦合系數(shù)在0.1-0.3時(shí)的充電效率高，輸出功率也比較大。同時(shí)，充電效率隨著負(fù)載的增加而增加，在蓄電池允許電阻范圍內(nèi)，阻值越大，充電的效率越高。這對于基于SS拓?fù)涞臒o線充電選參具有重要意義，基于上述結(jié)果選參能夠滿足充電效率要求高的場合。

然而本實(shí)驗(yàn)還存在一定不足之處，由于條件有限，無法進(jìn)行實(shí)物電路搭建實(shí)驗(yàn)。此外在線圈優(yōu)化方面，未通過具體的磁場分布分析來對其進(jìn)行確定性分析。希望在后續(xù)的研究中可以對其展開研究并進(jìn)行完善。

5 結(jié)論

本文基于電動汽車磁耦合無線充電技術(shù)原理，比較了不同充電方式的區(qū)別，并且選取了SS拓?fù)溥M(jìn)行綜合分析，得出了其充電效率與耦合系數(shù)，負(fù)載阻值的關(guān)系。耦合系數(shù)的選取應(yīng)當(dāng)在0.1-0.3之間，耦合系數(shù)過大會導(dǎo)致充電效率的下降，因此在設(shè)計(jì)SS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意避免耦合系數(shù)過大。而負(fù)載阻值與充電效率成正相關(guān)，但是在蓄電池設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮發(fā)熱，便攜等其他問題，不能一味追求阻值增大，應(yīng)當(dāng)當(dāng)綜合考慮各種因素后，盡量選取較大的負(fù)載值。

以下是基于本實(shí)驗(yàn)對于未來研究的一些展望：

本研究僅僅基于四種基本拓?fù)渲械腟S拓?fù)渥鳛檠芯恐攸c(diǎn)。基于基本拓?fù)洌€可以對多重復(fù)合拓?fù)湔归_研究以尋求更加有利于充電效率和充電功率的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

線圈鐵心的磁導(dǎo)率對無線電能的傳輸也起到關(guān)鍵作用。高磁導(dǎo)率材料具有更高的磁導(dǎo)率和更低的損耗，但是目前對于高效率材料的開發(fā)還并不成熟。后續(xù)研究可以根據(jù)磁道率特性對不同材料進(jìn)行分析，還可以在此基礎(chǔ)上開發(fā)復(fù)合材料，得到滿足充電要求和高效率的材料，推動無線汽車充電領(lǐng)域不斷前進(jìn)和發(fā)展。

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